背
景
红外光谱区（尤其中远红外）在传感、成像及量子信息处理等领域具有重要应用，但受限于商用化光束整形器件的匮乏，其光学调控技术发展滞后。传统折射/衍射光学元件依赖体材料相位累积效应，存在体积大、功能单一、波长依赖性显著等固有限制。超表面（Metasurfaces）通过亚波长结构阵列调控光波的振幅、相位及偏振态，为实现紧凑型平面光学系统提供了新范式。然而，现有超表面技术面临两大瓶颈：其一，红外波段（尤其是λ>5μm）的等离子体材料选择有限，且传统金属（如金、银）在长波区欧姆损耗显著，制约器件效率；其二，传统纳米加工技术（如电子束光刻、反应离子刻蚀）工艺复杂、成本高昂，难以满足大面积、多功能超表面的快速原型开发需求。
近年来，相变材料（Phase-Change Materials,PCMs）因其非易失性光学性质切换能力，成为动态可重构超表面的理想候选材料。其中，铟锑碲化合物（In₃SbTe₂,IST）在结晶态呈现类Drude等离子体行为，覆盖全红外波段（λ=1–20μm），且可通过激光诱导非晶-晶相变实现纳米结构的直接写入。相较于传统硫系化合物（如GeSbTe），IST在红外区的等离子体共振强度更高、损耗更低，为设计高精度几何相位超表面提供了独特平台。几何相位（即Pancharatnam-Berry相位）通过旋转各向异性纳米天线引入相位梯度，仅需单一结构参数（旋转角β）即可实现2π相位覆盖，规避了传统共振相位调控对复杂结构设计的依赖，显著简化了制备流程。
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图 1： 基于 IST 的光束转向超表面。
A 通过对旋转的IST棒状天线进行光结晶来编程大面积几何超表面的概念。控制棒状天线的旋转角度可实现超表面的2π全相位控制。B非晶态和晶态IST的介电常数实部。在晶态下，IST呈现金属行为。C两个不同超胞周期（Γ分别为18μm和36μm）的光束转向超表面的光学显微镜图像。沿超胞周期，相位从0增加到2π。标尺为 5μm。D测量的两个不同超胞周期（18μm和36μm）的光束转向超表面的光束强度。圆偏振光的 RCP（右旋圆偏振）分量发生偏转，而初始的LCP（左旋圆偏振）光不受影响。E两个超表面在入射LCP光时模拟的RCP电场。在两个超胞（SC）周期下，测量得到的光束偏转角都能很好地通过模拟复现。
图 2： 基于IST的金属透镜。
A为应用的工作原理示意图。入射的左旋圆偏振（LCP）光转换为右旋圆偏振（RCP）辐射，并根据超表面进行聚焦。B为由等相位同心环组成的金属透镜的印记相位轮廓。C为制备的IST天线构成的超表面的照片。D为测量得到的强度分布，在xz横截面中清晰显示出距离超表面 11.5cm 处的一个焦点。E为应用了（B）中所示相位图案的超表面的模拟强度分布。F 为测量得到的焦点横截面。
图 3：编码轨道角动量。
A为三种不同超表面应用的携带轨道角动量为1、3和5的螺旋相位图案。B为在距离超表面60厘米处测量的光束远场强度图案，显示出随着轨道角动量增加，直径增大的环形结构。C为未受影响的入射光与超表面散射光的直接干涉，产生螺旋图案，螺旋臂的数量揭示了轨道角动量。D为螺旋相位轮廓的模拟远场强度图案，与（B）相比呈现出相似的环形图案。E 为由于入射高斯光束与通过超表面后变换的光束干涉而产生的模拟螺旋图案，表明实验与模拟结果吻合良好。
图 4：IST 全息超表面。
A 为将全息图的相位图案与放大镜的图案相结合，以实现 RCP 全息图像放大成像的示意图。B 为在距离超表面60厘米处的目标远场强度图案，显示出“ir nano”字样。C为根据目标强度图案，利用Gerchberg–Saxton算法计算出的超表面相位轮廓，并叠加了放大镜的相位轮廓。D为专门制作的8×8平方毫米超表面的照片。图中展示了在距超表面不同距离处测量和模拟的强度图案。设计的全息图在超表面后方60厘米处最为清晰可见。
图 5：多功能和级联超表面。
A将全息图、放大镜和光束转向器的相位掩模叠加，得到用于放大和偏转全息的超表面相位掩模。B测量的相应超表面的强度分布。入射的左旋圆偏振（LCP）光在0°处衰减并可见，而“ir nano”全息图在 10°处发生偏转。C级联超表面测量装置的示意图，在 0°处产生轨道角动量（OAM，可选），在10°处产生偏转和放大的全息图。D在 0°处测量的OAM强度分布和在10°处的偏转全息图。
图 6：双全息图。
A所采用的双全息概念示意图。IST超表面在超表面后方特定距离处产生两个不同的全息图。B利用衍射神经网络计算得到的应用相位掩模。C对全息图的测量结果D数值模拟清晰地呈现出超表面后方不同距离处的两个全息图。
总结
该研究通过IST材料创新、几何相位设计与激光直写工艺的结合，实现了红外光束的高效动态调控，为量子通信、热成像与自适应光学提供了可扩展的技术平台。未来需聚焦效率优化与多材料体系融合，以推动其实用化进程。
论文信息
德国亚琛工业大学物理研究所（IA），与 Florian Bontke 共同为本文的主要贡献者，参与研究构思、设计、数据分析、数值模拟等工作
DOI：10.1038/s41467-025-59122-5
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